一种高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导热石墨膜‑碳纤维树脂基复合材料的制备方法，它包括以下具体步骤：(1)将高导热石墨膜超声清洗干净后，用酸或碱溶液进行化学粗化处理。(2)将粗化处理后的石墨膜进行等离子体处理。(3)制备聚酰亚胺胶粘剂。(4)将获得的胶粘剂均匀涂敷在碳纤维树脂基复合材料表面上。(5)将处理后的石墨膜与碳纤维增强树脂基复合材料重叠，使其胶粘在一起，得到高导热石墨膜‑碳纤维树脂基复合材料。本发明专利技术所述的高导热石墨膜的表面处理方式，可以有效的造成石墨膜表面缺陷，进而实现良好的界面结合。与现有技术相比，本发明专利技术采用聚酰亚胺粘结剂进行结合，更好的提高了碳膜与复合材料之间的结合稳定性，且制备的复合材料具有较高的热导率，集碳纤维树脂基材料和石墨材料的优点于一身，是一种很有竞争力的新型耐高温复合材料。

Preparation of graphite film carbon fiber resin matrix composites with high thermal conductivity

【技术实现步骤摘要】
一种高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料的制备方法
本专利技术属于先进碳材料与复合材料领域，尤其涉及一种高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料的制备方法。
技术介绍
随着航空航天、电子器件等领域的发展，材料的耐热温度以及散热速率成为限制其发展的一个重要因素，碳纤维增强树脂基复合材料因具有密度低、比强度和比模量高以及耐热性能好等优异特征，是目前航空发动机中应用最广泛的材料之一。但随着航空航天等领域的不断发展，其对材料的耐热和散热性能提出了更高的要求，因此本文采用近年来出现并快速发展的一种新型高导热石墨材料——高导热石墨膜作为导热增强体，制备高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料，其在提高导热率的同时，亦能够提高复合材料耐热温度以及在高温下的使用寿命。高导热石墨膜主要包括天然石墨膜、人工石墨膜以及石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜等导热率≥200W/m.K的石墨膜，其中石墨烯膜的热导率最高，超过2000W/(m.K)。高导热石墨膜是将高分子薄膜在特殊烧结条件下反复进行热加工处理，制备的具有高热导率的片状材料，具有电阻、热阻低、传热性能好、比重轻等多种优异性能，密度为1.0-1.9g·cm-3，其厚度仅有0.025-0.1mm，且柔软容易裁切，可以与塑胶、金属等多种材料结合，且其经过2800-3200℃的高温石墨化处理后，其微晶结构会接近石墨单晶结构，由于其独特的晶粒取向和晶体结构，其面内为各向同性，热导率为400-2000W/(m.K)，而厚度方向热导率为15W/(m.K)。因此其作为一种新型导热材料，自问世起就受到了广泛的关注和应用。
技术实现思路
针对目前复合材料存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料的制备方法。本方法制备的高导热石墨膜与树脂基复合材料板结合良好，可以高效的制备可用于高温条件下使用的碳纤维树脂基复合材料。本专利技术主要提供一种高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：步骤一，将高导热石墨膜进行化学粗化处理：将石墨膜用酒精超声清洗干净以去除石墨膜表面的物理吸附物。使用硫酸与硝酸混合溶液或者氢氧化钠溶液处理石墨膜，处理温度为20-90℃，处理时间为1-120min，然后采用去离子水冲洗浸泡石墨膜以除去表面残留的溶液，并放入80℃的烘箱中烘干。步骤二，将粗化处理后的高导热石墨膜进行等离子体处理：所述等离子体处理是将气体离子化后直接轰击在膜表面，处理气氛为空气、氧气、氮气、氢气中的至少一种，处理速度为1-10m/min，处理1-5遍。步骤三，制备聚酰亚胺胶粘剂：(1)在-20℃盐水冰浴条件和氮气保护下，将二胺溶于极性溶剂中；(2)将二酐分批次加入二胺溶液中，搅拌反应得到酰胺酸溶液，放入-15℃以下的冰箱中静置脱泡保存；(3)使用时取出溶液，加入催化剂，加热到60-80℃固化粘结。步骤四，涂敷胶粘剂：将碳纤维树脂基预浸料按照一定的工艺要求进行裁剪铺层，通过使用可调涂布机，将粘结剂以200μm的均匀厚度涂敷在复合材料表面上。步骤五，将石墨膜与复合材料进行粘结复合：将处理后的石墨膜与碳纤维增强树脂基复合材料重叠，使其胶粘在一起，固化得到高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料。本专利技术更进一步的技术特征是：(1)所述步骤二中硫酸与硝酸的体积比为3：1。(2)所述步骤二中氢氧化钠溶液浓度为5-500g/ml。(3)所述步骤二中处理方法包括浸泡和高温回流。(4)所述的高导热石墨膜厚度为0.01-1mm。(5)所述石墨膜为所述有天然石墨膜、人工石墨膜以及石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜等导热率≥200W/m.K的高导热石墨膜。(6)所述步骤(3)中的非质子极性溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)等。(7)所述步骤(3)中二胺包括对苯二胺(PPD)、间苯二胺(MPD)、萘二胺、4,4’-二胺基二苯醚(ODA)、3,3’-二氨基二苯甲酮(DABP)等。(8)所述步骤(3)中二酐包括均苯四甲酸二酐(PMDA)、3,3’,4,4’-二苯酮四羧酸二酐(BTDA)、4,4’-(六氟异丙烯)二酞酸酐(6FDA)等。(9)所述步骤(3)中二胺与二酐的摩尔量为1：1。本专利技术的优点在于：本专利技术采用上述对碱洗和酸洗溶液的优选措施，可以有效的造成石墨膜表面缺陷，进而实现良好的界面结合。本专利技术适用于所有石墨膜材料，其基体可以是碳纤维与聚酰亚胺树脂、环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂以及酚醛树脂复合材料板。在本专利技术的方法中，首次将高导热石墨膜用于制备碳纤维树脂基复合材料，与现有技术相比，本专利技术制备的高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料具有较高的热导率，并且集碳纤维树脂基复合材料和石墨材料的优点于一身，是一种很有竞争力的新型耐高温材料。本专利技术的制备工艺简单，对设备要求低，传统设备即可实现，适合于工业制生产。所制备得到的高导热树脂基复合材料形状尺寸能够根据需要进行调节，厚度以及材料的热导率也可以调控，能够承受温度较高，适用范围广，应用空间大。具体实施方式下面具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。具体实施例一：(1)将1mm厚的的天然高导热石墨膜用酒精超声清洗干净以去除石墨膜表面的物理吸附物。(2)对石墨膜进行化学粗化处理，使用硫酸与硝酸3：1的混合溶液在80℃下浸泡石墨膜15min，随后使用去离子水浸泡8h，并在烘箱中干燥。本步骤中酸浸泡的作用为使石墨膜表面微观结构粗糙度增加，表面化学惰性降低。(3)将粗化处理后的石墨膜进行等离子体处理，所述等离子体处理是将气体离子化后直接轰击在膜表面，处理气氛为空气，处理速度为5m/min，处理两遍。经过等离子体处理，石墨膜表面化学结构及微观结构会发生一定变化，形成大量碳氧官能团。(4)制备聚酰亚胺胶粘剂：在-20℃盐水冰浴条件和氮气保护下，将对苯二胺溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)极性溶剂中；将均苯四甲酸二酐(PMDA)分三次加入二胺溶液中，搅拌反应得到酰胺酸溶液，放入-15℃以下的冰箱中静置脱泡保存；使用时取出溶液，加入催化剂，加热到60-80℃固化粘结。(5)涂敷胶粘剂：将碳纤维树脂基预浸料裁剪成100*100mm大小，按照八层进行铺层，通过使用可调涂布机，将粘结剂以200μm的均匀厚度涂敷在复合材料表面上。(6)将石墨膜与复合材料进行粘结复合：将处理后的石墨膜与碳纤维增强树脂基复合材料重叠，使其胶粘在一起，固化得到高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料。具体实施例二：(1)将0.5mm厚的的人工石墨膜用酒精超声清洗干净以去除石墨膜表面的物理吸附物。(2)对石墨膜进行化学粗化处理，使用浓度为500g/ml的氢氧化钠溶液在50℃下浸泡石墨膜30min，随后使用去离子水浸泡8h，并在烘箱中干燥。本步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：/n(1)将高导热石墨膜进行化学粗化处理：将石墨膜用酒精超声清洗干净以去除石墨膜表面的物理吸附物。使用硫酸与硝酸混合溶液或者氢氧化钠溶液处理石墨膜，处理温度为20-90℃，处理时间为1-120min，然后采用去离子水冲洗浸泡石墨膜以除去表面残留的溶液，并放入80℃的烘箱中烘干。/n(2)将粗化处理后的高导热石墨膜进行等离子体处理：所述等离子体处理是将气体离子化后直接轰击在膜表面，处理气氛为空气、氧气、氮气、氢气中的至少一种，处理速度为1-10m/min，处理1-5遍。/n(3)制备聚酰亚胺胶粘剂：(1)在-20℃盐水冰浴条件和氮气保护下，将二胺溶于极性溶剂中；(2)将二酐分批次加入二胺溶液中，搅拌反应得到酰胺酸溶液，放入-15℃以下的冰箱中静置脱泡保存；(3)使用时取出溶液，加入催化剂，加热到60-80℃固化粘结。/n(4)涂敷胶粘剂：将碳纤维树脂基预浸料按照一定的工艺要求进行裁剪铺层，通过使用可调涂布机，将粘结剂以200μm的均匀厚度涂敷在复合材料表面上。/n(5)将石墨膜与复合材料进行粘结复合：将处理后的石墨膜与碳纤维增强树脂基复合材料重叠，使其胶粘在一起，固化得到高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
(1)将高导热石墨膜进行化学粗化处理：将石墨膜用酒精超声清洗干净以去除石墨膜表面的物理吸附物。使用硫酸与硝酸混合溶液或者氢氧化钠溶液处理石墨膜，处理温度为20-90℃，处理时间为1-120min，然后采用去离子水冲洗浸泡石墨膜以除去表面残留的溶液，并放入80℃的烘箱中烘干。
(2)将粗化处理后的高导热石墨膜进行等离子体处理：所述等离子体处理是将气体离子化后直接轰击在膜表面，处理气氛为空气、氧气、氮气、氢气中的至少一种，处理速度为1-10m/min，处理1-5遍。
(3)制备聚酰亚胺胶粘剂：(1)在-20℃盐水冰浴条件和氮气保护下，将二胺溶于极性溶剂中；(2)将二酐分批次加入二胺溶液中，搅拌反应得到酰胺酸溶液，放入-15℃以下的冰箱中静置脱泡保存；(3)使用时取出溶液，加入催化剂，加热到60-80℃固化粘结。
(4)涂敷胶粘剂：将碳纤维树脂基预浸料按照一定的工艺要求进行裁剪铺层，通过使用可调涂布机，将粘结剂以200μm的均匀厚度涂敷在复合材料表面上。
(5)将石墨膜与复合材料进行粘结复合：将处理后的石墨膜与碳纤维增强树脂基复合材料重叠，使其胶粘在一起，固化得到高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料。


2.根据权利要求1所述的高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中硫酸与硝酸的体积比为3：1。


3.根据权利要求1所述的高导热石墨膜-碳纤维树脂基复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：马兆昆，赵佳佳，张型伟，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11